DE19733946A1 - Verfahren und Einrichtung zur thermischen Behandlung von Reststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Thermischen Behandlung von Reststoffen, vorzugsweise brennbaren Restabfällen aus Siedlungsabfällen.

Restabfälle, die nicht in der Biosphäre abgelagert werden können, sind in Zukunft einer Thermischen Behandlung zu unterziehen.

Bekannteste und am häufigsten für diesen Zweck eingesetzte Verfahrenseinrichtung ist die Rostfeuerung mit mineralisch ausgekleideten und gekühlten Feuerraumwänden und mehreren aus einer Vielzahl von miteinander beweglich verspannten und oberflächen- bzw. hohlraumgekühlten metallischen Roststäben bestehenden Roststufen mit nachgeschalteten Abhitzekessel, Rauchgasreinigungsanlage und zumeist nassem Rostaschenaustrag.

Nachteilig bei der geschilderten Verfahrenseinrichtung ist, daß

• - die Schichthöhe des Brenngutes aus Gründen einer erforderlichen Mindestabdeckung der thermisch empfindlichen Roststäbe, deren begrenzter bodengängiger Schürwirkung, und des beschränkten deckenseitigen Wärmeeintrages durch Wände und Rauchgas nur in gewissen Grenzen schwanken darf, so daß bei konstanter Wärmeleistung nur mittlere Gemischheizwerte des Brennstoffes verarbeitet werden können,
• - die Temperatur des Feuerraumes im Hinblick auf die thermische Belastbarkeit von Roststab- und Feuerraumwandmaterialien begrenzt ist,
• - der Bedarf an zwischen den Roststäben hindurchtretender Oberflächenkühlluft größer als der zonenabhängige bzw. gesamte Verbrennungsluftbedarf ist und aus Gründen der gleichmäßigen Luftverteilung hohe Druckverluste über die Rostspalte erforderlich sind
• - die Hohlraumkühlung der Roste mit Wasser sehr aufwendig bzw. mit Luft ineffektiv ist, und dem Brenngut an der Rostoberfläche die zur Verbrennung erforderliche Wärme entzogen wird,
• - die Schürwirkung der Roste im Hinblick auf die schädliche Staubbelastung des Abhitzekessels begrenzt werden muß
• - wegen der großen gesamten Spaltlängen zwischen Roststäben und Rostreihen und durch thermische Ausdehnung der Roststäbe schwankenden Spaltbreiten erhebliche Mengen an Feingut des Brennstoffes bzw. dessen unterschiedlicher thermischer Behandlungsstufen als Rostdurchfall auftreten können,
• - Trocknung, Entgasung, Gas- und Feststoffverbrennung räumlich und zeitlich undifferenziert und parallel verlaufen,
• - die Qualität der Rostschlacke wegen des prinzipiell zu niedrigen Temperatur-Ver­ weilzeitniveaus besonders bei den Fein- und Mittelanteilen hinsichtlich Ausbrandgüte und Schadstoffgehaltes unzureichend ist,
• - die werkstoffbedingt gekühlten Feuerraumwände dem Verbrennungsprozeß teilweise die besonders bei niedrigkalorischen Brennstoffen notwendige Wärme entziehen und zur Bildung schlecht ausbrennender Schwaden und Strähnen sowie unverbrannten Brennstoffresten führen,
• - die Vermischung von entstandenen Brenngasen und insbesondere der in der Trockenzone durch den Rost zugeführten Luft wegen mangelnder Turbulenz unzureichend ist,
• - die effektive Wärmenutzung im Abhitzekessel durch zunehmende Staubablagerung aus dem ungereinigten Rauchgas vermindert und zeitlich begrenzt ist,
• - das An- und Abfahrverhalten der Anlage wegen großer massenbedingter Wärmekapazitäten wärmedehnungsempfindlicher Feuerraummaterialien sehr träge und zeitaufwendig ist,
• - die Abgasmengen wegen der erforderlichen großen Luftmengen sehr hoch sind
• - durch die ungestufte Verbrennung z. T. große Mengen schwer zu beseitigender Stickoxyde im Rauchgas entstehen
• - das zumeist nasse Ablöschen der Rostasche zu Energieverlusten und einem schlecht zu trennenden, konditionierenden und verwertenden Gemisch aller Asche- und Wertstofffraktionen führt,
• - die Rauchgase in Abhängigkeit von der Brennstoffzusammensetzung aggressive Bestandteile enthalten, die in dem nachgeschalteten Abhitzekessel zu Hochtemperaturkorrosion an den Heizflächen führen und in der Gasreinigung aufwendig entfernt werden müssen,
• - kleine Durchsatzleistungen zu ungünstigen Dimensionierungsverhältnissen und höheren spezifischen Wärmeverlusten mit weiteren Einschränkungen der Brennstoffpalette führen,
• - staub-, pastenförmige und andere spezielle Brennstofffraktionen infolge schlechten Ausbrandes und/oder übermäßiger Staubentwicklung lediglich in geringen Mengen oder gar nicht zur Verarbeitung geeignet sind.

Bekannt geworden ist weiterhin ein an mehreren Wänden beheizter Kanal durch den verdichtete Reststoffe mittels eines eingangsseitigen Schiebers als starrer kanalförmiger Pfropfen hindurchgepreßt werden, um durch die von der Wandung eingebrachte Wärme entgast zu werden.

Nachteilig bei der letztgenannten Verfahrenseinrichtung ist, daß durch das pfropfenförmige Geschwindigkeitsprofil ohne Quervermischung des schlecht wärmeleitenden Brennstoffpfropfens lediglich dessen dünne wandnahe Schicht stark aufgeheizt wird, wodurch der weitere Wärmeübergang von der Wandung behindert wird und die für die Trocknung und Entgasung des Brennstoffes erforderliche Wärmeenergie in den Querschnitt des Brennstoffes nicht eingebracht werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung für die Thermische Behandlung von Reststoffen zu entwickeln, die

• - eine höhere Temperatur im Feuerraum,
• - die weitgehende räumliche und zeitliche Differenzierung zwischen Trocknung, Entgasung und Verbrennung,
• - eine gezielte nur vom Verbrennungsprozeß abhängig minimierte Luftzuführung bei gestufter Verbrennung von entstehenden gasförmigen und festen Brennstoffen mit minimalen Rauchgasmengen und verringerten Schadstoff- und Staubgehalten zum Abhitzekessel und zur Rauchgasreinigung nach Kessel,
• - gut ausgebrannte, schadstoffarme und nach Fraktionen differenzierte feste Reststoffe mit guten Konditionierungs-, Verwertungs- und Separierungseigenschaften,
• - ein hinsichtlich Konsistenz und Wärmeinhalt breites Brennstoffsortiment, insbesondere auch für kleine und mittlere Wärmedurchsatzleistungen,
• - einen kurzzeitigen An- und Abfahrbetrieb ohne Beschränkung durch Wärmespeicherträgheit und Wärmeempfindlichkeit der Feuerraummaterialien gewährleistet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß

• - die thermisch, mechanisch und korrosiv hoch belasteten Komponenten des Feuerraumes, des Nachbrennraumes und des Heißgasbehandlungsraumes aus gut wärmeleitendem, wärmeverzugsarmen, thermisch, mechanisch, korrosiv und abrasiv hochbelastbarem vorzugsweise mit Fasern aus Kohlenstoff und/oder Siliziumcarbid verstärktem keramischen Material in Leichtbauweise ausgebildet werden,
• - die Feuerraumtemperatur insbesondere in Wandnähe durch ungekühlte wärmeisolierte, beheizte und/oder beidseitig wärmebeaufschlagte Wandungen auf einem hohen Niveau gehalten wird,
• - eine Trocknungszone mit durch den Rauchgasstrom beheizten und durch den Brennstoff großflächig berührten und bestrahlten Wandungen und weiteren Heizflächen angeordnet ist,
• - in Wandnähe der Brennstofftransport beschleunigt und im mittleren Bereich verzögert mit Quervermischung des Brennstoffquerschnittes erfolgt,
• - die Zufuhr der Verbrennungsluft erst nach der Trocknung und Entgasung gestuft und nach festen und entstehenden gasförmigen Brennstoffen getrennt erfolgt
• - feine und mittlere Brennstoff- bzw. Aschepartikel durch hohe Luft- bzw. Gasgeschwindigkeiten aus der Brennstoff- bzw. Ascheschicht ausgetragen werden,
• - feine Brennstoff- und Aschepartikel aus dem Brennraum mit dem Rauchgasstrom ausgetragen werden und in diesem ausbrennen
• - das Rauchgas nach dem Feuerraum durch heißgehende Wandumlenkung, Zugabe von Verbrennungsluft, Kühlgas temperiert, beschleunigt und turbuliert wird,
• - den verwirbelten und beschleunigten Rauchgasen reaktive und inerte Fluide, Feststoffe zur Schadstoffeinbindung, Wand- und Gasabreinigung sowie zur Staubkonditionierung zugegeben werden,
• - Rauchgase und mitgeführte Feststoffe in einem Zyklon ausbrennen, mit den zugegebenen Agenzien reagieren und die Reingase mit verringertem Schadstoffgehalt und nach Abtrennung der Feststoffe und heizflächengerechter Temperierung dem Abhitzekessel zur Wärmeentbindung und der Rauchgasendreinigung vor Eintritt in die Atmosphäre zugeführt werden.

Die Erfindung wird unter Bezug auf die dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Seitenansicht der Einrichtung

Fig. 2 Draufsicht der Einrichtung

Fig. 3 Vorderansicht der Einrichtung

Der Brennstoff 1 wird durch die Aufgabevorrichtung 2 an der Stirnwand 3 des Brennraumes 4 zugeführt und fällt auf die erste Roststufe 5, wo durch Wärmeeintrag von den Seitenwänden 6, der Stirnwand 3, der Roststufen 5 und der Decke 7 des Brennraumes 4 die Trocknung und Erhitzung des Brennstoffes 1 erfolgt, wobei die Temperatur des Brennstoffes 1 an der deckenseitigen Oberfläche und insbesondere an den direkt berührten Seitenwänden 6 am schnellsten ansteigt.

Zur Vergleichmäßigung des Temperaturprofils im Bettquerschnitt des Brennstoffes 1 und insbesondere zur Intensivierung des Wärmeeintrages an den beheizten Seitenwänden 6 wird der Vorschub des Brennstoffes 1 in der Nähe der Seitenwände 6 gegenüber der Mitte des Bettquerschnittes beschleunigt und neben dem Vorschub in Längsrichtung des Brennraumes 4 eine Querbewegung des Brennstoffes 1 von den Seitenwänden 6 zur Mitte des Bettquerschnittes vorgenommen.

Dies erfolgt durch Vorschubböden 8, die einteilig sind oder aus 2 oder mehr Vorschubsegmenten 9 bestehen, mit zu den Seitenwänden 6 geneigten bzw. gekrümmten Schubflächen 10 versehen sind und bezüglich Hublänge, Hubgeschwindigkeit, Hubfrequenz sowie zeitlicher Abfolge gleiche oder unterschiedliche Bewegungen

• - in Richtung des Brennraumes 4 hin- und hergehend oder/und
• - um eine Drehachse 11 schwenkend ausführen.

Im letzteren Falle werden die Seitenwände 6 zweckmäßig aus Segmenten zusammengesetzt, die in der Draufsicht die Form von Kreisbögen und dadurch erhöhte mechanische Stabilität haben.

Die Vorschubböden 8 bestehen dabei im Wesentlichen aus der Roststufe 5 und der Schubfläche 10 oder aus der Schubfläche 10 und der Schubdecke 12, die lediglich während Vorschub und Rückzug unter der Roststufe 5 in das Bett des Brennstoffes 1 eintritt.

In einer weiteren Ausbildung sind Roststufe 5 oder Schubdecke 12 und Schubfläche 10 Teile eines Schubkastens 13, der mittels hindurchströmender Gase erhitzt oder gekühlt wird, bzw. der Zuführung von Gasen in das Bett des Brennstoffes 1 dient.

In einer weiteren nicht dargestellten Ausbildung ragen in den Brennraum 4 Heizflächen in Form von heißgasdurchströmten Hohlquerschnitten hinein, die auf ihrer Außenseite mit dem Brennstoff 1 in Berührungs- und/oder Strahlungskontakt stehen.

Nach dem Austreiben der Feuchte aus dem Brennstoff 1 mittels der durch die Feuerraumwände zugeführten Wärme erfolgt die thermische Zersetzung der organischen Bestandteile des Brennstoffes 1 in ein gut brennbares Gas-Dampf-Ge­ misch 14 und ein Inertstoff-Koks-Gemisch 15 in der Entgasungszone 16 des Brennraumes 4, an deren Ende die Verbrennung des Gas-Dampf-Gemisches 14 und der brennbaren Bestandteile des Inertstoff-Koks-Gemisches 15 eingeleitet wird. Die Verbrennungsluft wird dabei zweckmäßig durch in den Oberflächen der Roststufen 5 oder den Schubdecken 12 und/oder den Schubflächen 10 angeordneten Düsenbohrungen 17 zugeführt und tritt stetig oder zyklisch (Blasebalgeffekt) durch das Inertstoff-Koks-Gemisch 15 hindurch.

Bei der rückwärts in Richtung Stirnwand 3 gerichteten Richtungsanordnung der Düsenbohrungen 17 in der Schubdecke 12 des Schubkastens 13 erfolgt das Einblasen der Verbrennungsluft lediglich während des Vorschubes und Rückzuges des Schubkastens 13 zyklisch mit örtlich großer Eintrittsgeschwindigkeit, so daß spezifisch leichte bzw. kleinkörnige Bestandteile aus dem Bett des Inert­ stoff-Koks-Gemisches 15 zurück in den rückwärtigen Brennraum 4 ausgetragen werden und in Abhängigkeit von Größe und Dichte als Schwebteile mit dem ausbrennenden Gas-Dampf-Gemisch 14 aus dem Brennraum 4 ausgetragen werden oder auf das Bett des ausbrennenden Inertstoff-Koks-Gemisches 15 zurückfallen und den beschriebenen Zyklus wiederholt durchlaufen, so daß am Ende des Brennraumes 4 praktisch nur noch grobe und mittlere nicht flugfähige gut ausgebrannte und abgeblasene Inertteile mit guten Verwertungs- und Separiereigenschaften abgezogen werden, während die die flugfähigen Kohlenstoff- und schadstoffhaltigen Aschepartikel enthaltende Feinfraktion vollständig mit dem nachverbrennenden Strom der Rauchgase 18 aus dem Brennraum 4 ausgetragen wird.

Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten der aus den Düsenbohrungen 17 beim Eintritt des Schubkastens 13 in das Bett des ausbrennenden Brennstoffes 1 ausströmenden Luft wird auch das Eindringen von Feststoffen, niedrigschmelzenden Glas-oder Metallpartikeln aus dem Brennstoff 1 in die Düsenbohrungen 17 des Schubkastens 13 verhindert.

Am Ende des Brennraumes 4 werden die infolge unterstöchiometrischer Luftzugabe noch relativ geringen Mengen an Rauchgas 18 an der Rückwand 19 des Brennraumes 4 um eine oder beide Seitenwände 6 oder um die Decke 7 umgelenkt und mittels Sekundärluftzugabe 20 und ggf. rückgeführtem abgekühltem Rauchgas 18 temperiert, beschleunigt und verwirbelt.

Zweckmäßig werden an dieser Stelle auch feste und fluide Chemikalien und Inertmaterialien zur Schadstoffeinbindung, mechanischen Abreinigung von Wänden und Rauchgas sowie zur Konditionierung der Stäube z. B. Ammoniak, Harnstoff, Sand, Kalkstein oder andere geeignete Stoffe zugegeben.

Die Aufgabe der Feststoffe in den ausbrennenden Strom des Rauchgases 18 kann dabei mit üblichen Dosiereinrichtungen oder zur Verringerung der Gasmenge und des Druckverlustes im Rauchgas 18 mit Hilfe eines Schleuderrades 21 mit hoher Geschwindigkeit vorzugsweise in Richtung der Gasströmung erfolgen.

Die ausbrennenden und mit den zugegebenen Stoffen reagierenden Rauchgase 18 strömen mit hoher Geschwindigkeit an der dem Brennraum 4 abgewandten Außenseite einer oder beider Seitenwände 6 oder der Decke 7 entlang, geben einen geringen Teil ihrer Wärme in den Brennraum 4 an den Brennstoff 1 ab und treten in einen oder mehrere Zyklone 22 ein, wo durch intensive Vermischung aller Phasen und Stoffe Restausbrand und -reaktionen erfolgen und die inerten und mit den Rauchgasen 18 ausgebrannten Feststoffe als Staubfraktion 23 mit eingeengtem Kornspektrum und guten Konditionierungs- und Verwertungseigenschaften abgeschieden werden und durch Agglomeration bereits an den Zyklonwänden pillieren bzw. in nachgeschalteten Einrichtungen für Transport, Verwertung oder Entsorgung pelletiert, brikettiert oder in anderer geeigneter Weise heiß- oder kalt, feucht oder trocken konditioniert werden können.

Die aus dem(n) Zyklon(en) 22 austretenden abgereinigten Rauchgase 18 werden bei beidseitiger Anordnung der Zyklone 22 und Umlenkung bei Austritt aus dem Brennraum 4 durch die Seitenwände 6 über die Außenfläche der Decke 7, bzw. bei Umlenkung durch die Decke 7 über die Außenfläche einer oder beider Seitenwände 6 und bei einseitiger Anordnung der Zyklone 22 zusätzlich über die Außenfläche der nicht vom Strom des Rauchgas 18 zum Zyklon 22 berührten Seitenwand 6 besonders im Bereich der Trocknungszone und Entgasungszone 16 geführt.

In einer weiteren Ausbildung wird das gereinigte Rauchgas 18 durch die Innenräume der Roststufen 5 sowie um die Außenfläche der Stirnwand 3 des Brennraumes 4 sowie durch die bereits genannten in den Brennraum 4 hineinragenden Hohlquerschnitte z. B. zwischen den Seitenwänden 6 angeordnete horizontale Rohrreihen geführt und dadurch weitere Heizflächen für die Trocknung bzw. Entgasung erschlossen.

Nach dem Umströmen von Decke 7 und/oder einer oder beider Seitenwände 6 des Brennraumes 4 tritt das Rauchgas 18 in den Abhitzekessel 24 ein, wobei die Reinheit des Rauchgases 18 nach Zyklon 22 die Verwendung eines kostengünstigen aber verschmutzungsempfindlichen Rauchrohrkessels gestattet. In einer weiteren Ausbildung dient die dem Brennraum 4 abgewandte Seite des Rauchgaskanals 25 als Strahlungsheizfläche 26 für den Abhitzekessel 24, so daß der direkte Kontakt der Rauchgase 18 mit den Verdampfer- oder Überhitzerheizflächen 27 des Wasser-Dampf-Kreislaufes erst bei niedrigeren Temperaturen des Rauchgases 18 erfolgt und die Gefahr der Hochtemperaturkorrosion der Heizflächen weiter verringert wird.

Zur Vermeidung von Wärmeverlusten bzw. unzulässigen Erwärmung von Trag-, Begeh- oder Bedienungselementen müssen lediglich die einseitig von Brennstoff 1, und Rauchgas 18 bzw. dem Brennraum 4 berührten Wandungen mit einer Isolierung 28 versehen bzw. in isolierten Räumen angeordnet werden.

Bezugszeichenliste

1

Brennstoff

2

Aufgabevorrichtung

3

Stirnwand

4

Brennraum

5

Roststufe

6

Seitenwand

7

Decke

8

Vorschubboden

9

Vorschubsegment

10

Schubfläche

11

Drehachse

12

Schubdecke

13

Schubkasten

14

Gas-Dampf-Gemisch

15

Koks-Inertstoff-Gemisch

16

Entgasungszone

17

Düsenbohrungen

18

Rauchgas

19

Rückwand

20

Sekundärluftzugabe

21

Schleuderrad

22

Zyklon

23

Staubfraktion

24

Abhitzekessel

25

Rauchgaskanal

26

Strahlungsheizfläche

27

Verdampfer-oder Überhitzerheizfläche

28

Isolierung

Claims (12)

1. Verfahren und Einrichtung zur Thermischen Behandlung von Reststoffen vorzugsweise brennbaren Abfällen dadurch gekennzeichnet daß die vom Brennstoff 1 und den Rauchgasen 18 berührten sowie den Brennraum 4 begrenzenden Stirnwand 3, Seitenwände 6, Decke 7, Rückwand 19, Zyklon 22, Rauchgaskanal 25, Strahlungsheizfläche 26 sowie Roststufe 5 und andere Elemente aus einem thermisch, mechanisch, korrosiv und abrasiv hochbeständigen gut wärmeleitenden keramischen Werkstoff bestehen, der kristallin, amorph oder mit Fasern, bevorzugt aus Kohlenstoff und/oder Siliziumkarbid verstärkt ist.

2. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in einer Trocknungszone und einer Entgasungszone 16 die Stirnwand 3, die Roststufe 5, die Seitenwände 6, die Decke 7, der Vorschubboden 8, die Schubdecke 12 auf der dem Brennraum 4 abgewandten Außenfläche von Rauchgas 18 umströmt werden.

3. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase 18 nach Verlassen des Brennraumes 4 und Sekundärluftzugabe 20, sowie Zugabe von festen und fluiden Stoffen vorzugsweise Ammoniak, Harnstoff, Sand. Kalkstein zur Neutralisation, Reinigung von Rauchgas 18 und Wandungen, in einen oder mehrere Zyklone 22 eintreten.

4. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der festen Stoffe zum Rauchgas 18 mittels eines Schleuderrades 21 erfolgt.

5. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß Vorschubböden 8 einteilig sind oder aus Vorschubsegmenten 9 bestehen.

6. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubböden 8 oder die Vorschubsegmente 9 mit zu den Seitenwänden 6 geneigten bzw. gekrümmten Schubflächen 10 versehen sind.

7. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubböden 8 oder die Vorschubsegmente 9 synchron oder asynchron hin- und hergehend bewegt werden.

8. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubböden 8 oder die Vorschubsegmente 9 synchron oder asynchron um eine oder mehrere Drehachsen 11 schwenkend bewegt werden.

9. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß in den Brennraum 4 von Rauchgas 18 innen durchströmte Einbauten mit vorzugsweise rohrförmigem oder anders geformtem Querschnitt hineinragen.

10. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß in den Oberflächen der Roststufen 5, den Schubflächen 10 und den Schubdecken 12 Düsenbohrungen 17 angeordnet sind.

11. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenbohrungen 17 bevorzugt in Richtung Stirnwand 3 rückwärts oder in anderer Ausrichtung in den Brennraum 4 gerichtet sind.

12. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere von Rauchgas 18 umströmte Wände des Brennraumes 4, oder des Rauchgaskanals 25 als Strahlungsheizfläche 26 für den Abhitzekessel 24 ausgebildet sind.